수리논술, 이게 다다.

자연계열 II (오후) 1번

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문제

[문제 1]

합성함수가 정의될 수 있는 범위에서 함수 f(x)\displaystyle f(x)에 대한 합성함수를 다음과 같이 나타내자.(f∘f)(x)=f<2>(x), (f∘f∘f)(x)=f<3>(x), ⋯ , (f∘f∘⋯∘f⏟n)(x)=f<n>(x)\displaystyle (f\circ f)(x)=f^{<2>}(x),\ (f\circ f\circ f)(x)=f^{<3>}(x),\ \cdots,\ (\underbrace{f\circ f\circ\cdots\circ f}_{n})(x)=f^{<n>}(x)편의상 f<i>(x)\displaystyle f^{<i>}(x)를 f<i>\displaystyle f^{<i>}라 하고, f<0>=x\displaystyle f^{<0>}=x라 하자.

함수 f(x)=ln⁡(x)\displaystyle f(x)=\ln(x)라 할 때, 부정적분 ∫f<n>f<0>f<1>f<2>⋯f<n−2> dx\displaystyle \int\frac{f^{<n>}}{f^{<0>}f^{<1>}f^{<2>}\cdots f^{<n-2>}}\,dx를 f<i> (i=0,1,⋯ ,n)\displaystyle f^{<i>}\ (i=0,1,\cdots,n)로 나타내고, 그 이유를 설명하시오. (단, n≥2\displaystyle n\geq2인 자연수이다.) [10점]

해설강의 준비중

합성함수 미분법에 의하여,ddxf<n−1>=ddxln⁡(ln⁡⋯(ln⁡(ln⁡x))⋯ )=1ln⁡(ln⁡⋯(ln⁡(ln⁡x))⋯ )×⋯×1ln⁡x×1x=1f<n−2>⋯f<1>f<0>\displaystyle \begin{aligned}\frac d{dx}f^{<n-1>}&=\frac d{dx}\ln(\ln\cdots(\ln(\ln x))\cdots)=\frac1{\ln(\ln\cdots(\ln(\ln x))\cdots)}\times\cdots\times\frac1{\ln x}\times\frac1x\\&=\frac1{f^{<n-2>}\cdots f^{<1>}f^{<0>}}\end{aligned}이를 이용하여 직접 치환 적분을 할 수 있다.∫f(f<n−1>)ddx(f<n−1>) dx=∫f(y) dy=y(ln⁡y−1)+C=f<n−1>(ln⁡(f<n−1>)−1)+C=f<n−1>(f<n>−1)+C\displaystyle \begin{aligned}\int f(f^{<n-1>})\frac d{dx}(f^{<n-1>})\,dx&=\int f(y)\,dy=y(\ln y-1)+C=f^{<n-1>}(\ln(f^{<n-1>})-1)+C\\&=f^{<n-1>}(f^{<n>}-1)+C\end{aligned}정답 : f<n−1>[f<n>−1]+C\displaystyle f^{<n-1>}[f^{<n>}-1]+C (단, C\displaystyle C는 적분상수) 또는 ef<n>(f<n>−1)+C\displaystyle e^{f^{<n>}}(f^{<n>}-1)+C (eln⁡x=x\displaystyle e^{\ln x}=x이므로)

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